Study on the color change of heat-treated wood caused by UV light : coating development

High temperature heat treatment of wood is an alternative to chemical treatment which is harmful to the environment as well as human health. The heat-treated woods have higher durability against biological attacks, higher dimensional stability, and higher thermal insulating capacity, and attractive dark brown color compared to conventionally oven-dried wood. Unfortunately, this dark brown color is not stable in outer environment and turns to grey or white if not protected. Especially sunlight (UV and visible light) and water (moisture or rain) are the two main components responsible for the discoloration of heattreated wood. Although numerous research studies are published which are devoted to understanding the degradation behavior of natural wood and their protection mechanism, few are reported on the discoloration of heat-treated wood and none is available on their protection mechanism. Commercially available coatings are usually highly pigmented and contain toxic compounds. This thesis focuses on the development of a transparent or semitransparent non toxic coating to prevent or delay discoloration and degradation of heat-treated wood. In this study, one soft wood species (jack pine) and two hard wood species (quaking aspen, white birch) are considered.\ud This study has two parts. The first part is to study potential components of the transparent non toxic protective coatings. The second part involves the evaluation of these coatings.\ud Several approaches are used for the first part. The first approach is based on the development of different organic and inorganic UV stabilizers and natural antioxidants\ud (bark extracts, needle extracts, and even organosolv nano lignins). The second approach is the investigation of different inorganic micro and nano UV absorbers (micro and nano titania particles, ZnO nano particles, and CeO2 nano particles) alone or together with natural antioxidants. The third approach concerns with the investigation of different base polymers (sol-gel coating, soy based polymer coating, and acrylic polyurethane coatings) to be used with the above mentioned additives. In the second part, effectiveness of the coatings with different additives is examined and compared with that of an industrial coating commonly used.\ud The results showed that the acrylic polyurethane with bark extracts and lignin stabilizer or with CeO2 nano particles alone or together with lignin stabilizer performed better than the industrial coatings considered during this study for the protection of heat-treated wood during accelerated aging. Up to date, there are no coatings available in the market developed especially for heat-treated woods. Therefore, this study gives an insight into the protection mechanism of heat-treated wood. The results indicate that highly toxic and\ud pigmented industrial coatings could be replaced by the coatings developed during this study as they are more effective. Bark extracts, due to their high antioxidant properties, can be a potential additive for the wood coatings. A lot of research focuses on the inorganic UV absorbers; however, there exist one or two studies on CeO2 nano particles. This thesis will provide a pathway for the use of CeO2 nano particles in wood coatings. Therefore, the findings of this thesis constitute a major contribution to the wood coatings industry.\ud \ud Le traitement du bois à haute température est un alternatif au traitement chimique qui est néfaste pour\ud l'environnement aussi bien que à la santé humaine. Le bois traité thermiquement a plus de durabilité face\ud à l'attaque biologique, une plus haute stabilité dimensionnelle, une meilleure capacité d'isolation\ud thermique et une couleur brun foncé plus attrayante que le bois séché dans le séchoir conventionnel.\ud Malheureusement, cette couleur brun foncé n'est pas stable dans l'environnement externe et devient gris\ud ou blanc si non protégée. Particulièrement les rayons du soleil (UV et lumière visible) et l'eau (humidité ou\ud pluie) sont les deux facteurs principaux responsables de la décoloration du bois traité thermiquement.\ud Bien que plusieurs études sur le bois naturel se soient penchées sur la compréhension de la dégradation\ud et sur les mécanismes de protection, un nombre très limité d'études porte sur la décoloration du bois traité thermiquement et sur les approches potentielles de protection. Les revêtements disponibles commercialement sont hautement pigmentés et contiennent des composés toxiques. Cette thèse met l'emphase sur le développement des revêtements transparents ou semi-transparents non toxiques, pour empêcher ou retarder la décoloration\ud ou la dégradation du bois traité thermiquement. Une espèce de bois mou (pin gris) et deux espèces de\ud bois durs (peuplier faux tremble, bouleau blanc) ont été considérées dans cette étude.\ud Cette étude est faite en deux parties. La première partie porte sur les composantes potentielles de revêtements protecteurs transparents non toxiques. La deuxième partie traite de l'évaluation de ces revêtements.\ud Plusieurs démarches sont utilisées pour la première partie. La première est basée sur le développement\ud de différents stabilisateurs UV organiques et inorganiques et antioxydants naturels. La deuxième façon\ud est l'examen de différents micro et nano absorbeurs UV inorganiques (micro et nano particules de titane,\ud nano particules de ZnO et CeO2), seuls ou avec des antioxydants naturels. La troisième approche\ud concerne l'analyse des différents polymères de base utilisés avec les additifs mentionnés ci-dessus.\ud L'efficacité des revêtements avec différents additifs a été examinée dans la deuxième partie et comparée\ud à celle d'un revêtement industriel couramment utilisés. Les résultats démontrent que l'acrylique\ud polyuréthane avec l'extrait d'écorce et le stabilisateur de la lignine ou avec les nano particules de CeO2\ud seul ou avec le stabilisateur de la lignine performent mieux que le revêtement industriel considéré lors de\ud l'étude de la protection du bois traité thermiquement pendant le vieillissement accéléré. Jusqu'à présent,\ud aucun revêtement développé spécialement pour le bois traité thermiquement n'est disponible sur le marché.\ud Cette étude fournit donc un regard sur le mécanisme de protection du bois traité thermiquement. Les résultats indiquent que les revêtements industriels pigmentés et hautement toxiques peuvent être remplacés par des revêtements développés lors de cette étude parce qu'ils sont plus efficaces. Les extraits d'écorces, à cause de leurs propriétés hautement anti-oxydantes, peuvent être un additif potentiel pour le revêtement du bois. Bien que plusieurs recherches se concentrent sur l'absorbeur\ud UV inorganique, il existe cependant une ou deux études sur les nano particules de CeO2. Cette thèse pave la voie à l'usage des nano particules de CeO2 dans le revêtement de bois. Par conséquent, les résultats de cette thèse constituent une contribution majeure pour l'industrie du revêtement de bois